近日，《自然·材料》（Nature Materials）在线发表了物理科学与技术学院何军教授课题组在后摩尔时代先进技术节点器件高κ单晶栅介质方面的最新进展，文章题目为：“High-κ monocrystalline dielectrics for low-power two-dimensional electronics”。武汉大学物理科学与技术学院尹蕾研究员、程瑞清副教授和电气与自动化学院万旭昊博士为论文共同第一作者，何军教授和郭宇铮教授为通讯作者，武汉大学物理科学与技术学院为第一署名单位。

CMOS晶体管作为微电子芯片的核心单元，其物理特征尺寸的不断微缩一直是集成电路发展的主要动力。然而，随着集成电路向亚3 nm技术节点迈进，以硅锗为主导的晶体管的关键尺寸正逼近其物理极限。二维半导体因其独特的晶体结构和物理化学性质，成为后摩尔信息技术的研究前沿。但由于传统硅基非晶栅介质材料存在高密度的缺陷，难以与二维半导体沟道形成理想的异质界面，基于二维半导体的电子器件尚未发挥其理论预测的全部潜力。此外，受限于带隙与介电常数之间的反比关系，介电常数高的材料通常表现出较弱的介电强度。为破解这一倒置关系，开发兼具高介电常数与宽带隙的单晶栅介质将有助于提升二维晶体管的性能和可靠性，进而推动后摩尔低功耗芯片的实现。

何军教授研究团队通过范德华外延方法，成功制备出兼具高介电常数（~25.5）和宽带隙的单晶二维氧化钆薄膜，突破了介电材料普遍受限于带隙和介电常数之间的反比关系。在5 MV cm^-1的电场作用下，等效氧化层厚度低至1 nm的二维氧化钆仍展现出超低的泄漏电流（10^-4 A cm^-2），满足IRDS对低功耗器件的要求。进一步，通过范德华相互作用实现单晶氧化钆与二维半导体的无损集成，高κ介电环境以及高质量栅介质/半导体界面使所构筑的二维晶体管器件在低驱动电压下表现出优异的调控性能，开关比超过10⁹，亚阈值摆幅趋近玻尔兹曼物理极限，且能很好的屏蔽短沟道效应。基于以上低功耗二维晶体管构建的反相器电路增益达到40，功耗低至3.5 nW。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的经费支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02043-3